中红外可调谐增益开关Er:ZBLAN脉冲光纤激光器

沈炎龙，黄 珂，陶蒙蒙，谌鸿伟，栾昆鹏，于 力，易爱平

(西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

中红外可调谐增益开关Er:ZBLAN脉冲光纤激光器

沈炎龙，黄 珂，陶蒙蒙，谌鸿伟，栾昆鹏，于 力，易爱平

(西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

报道了波长可调谐增益开关中红外2.8 μm脉冲光纤激光器。采用脉冲975 nm半导体激光器泵浦高掺Er：ZBLAN双包层光纤，以闪耀光栅为谐振腔反馈元件，获得了波长可调谐增益开关中红外脉冲光纤激光输出。激光器工作频率为1～10 kHz，波长调谐范围为2.703～2.819 μm。在泵浦源重频10 kHz条件下，激光器最大平均功率为110 mW，最小脉宽为661.2 ns，峰值功率为16.5 W，斜率效率达28.6%。

中红外；增益开关；可调谐；光纤激光器；掺铒氟化物光纤

中红外3 μm波段光源处于“大气窗口”，同时又涵盖水分子的吸收峰，而中红外3 μm波段光纤激光器由于兼具光纤激光器的优点[1]，在军事和民用方面都有重要的应用价值和应用前景[2-3]，成为目前国内外研究热点。目前，成熟的商用大功率975 nm半导体激光器可以用作铒离子的泵浦源，因此，利用975 nm 半导体激光器泵浦高掺Er:ZBLAN光纤可以获得高功率的中红外2.8 μm光纤激光输出[4]。国外研究方面，1999年，Jackson利用790 nm LD泵浦Er/Pr共掺ZBLAN光纤，首次实现了2.8 μm光纤瓦级连续输出[5]。随着材料工艺的进步以及泵浦源功率的提升，激光器输出功率不断提升[6-8]，并已获得最高功率超过30 W的全光纤中红外激光连续输出[9-10]。

国内早在2002年，西安光机所开展了ZBLAN光纤激光器研究，但是受制于材料的特殊性和处理方法，研究停留在理论阶段，并未开展实验研究[11]。近些年来，该方向研究发展较为迅速。2012年，中国工程物理研究院报道了在泵浦功率为40 W条件下，获得了连续运转条件下最高功率为4.3 W的2.8 μm激光输出，斜率效率为11.9%，光纤端面损伤限制了功率进一步提升[12]。2013年，西北核技术研究所报道了中心波长为2.785 μm，功率为瓦级、工作模式为单模的激光输出[13]。2014年，通过对泵浦端面特殊处理和有效防护，项目组将输出功率提升到10 W量级，获得了最大功率为9.2 W，斜率效率为24.8%的单模激光连续输出[14]，并实现了瓦级可调谐输出[15]。2015年，电子科技大学利用低掺铒ZBLAN光纤获得了最大功率为15 W，斜率效率为21.5%，波长为2.9 μm的级联激光输出[16]。

与连续激光相比，中红外脉冲激光在效应机理研究、生物医疗、非线性光学、激光光谱学等领域应用更广阔[17]。产生脉冲激光的方法主要有增益开关、调Q和锁模3种。调Q是获得高脉冲能量输出的主要途径，目前,中红外脉冲激光器主要集中在主动调Q[18-19]和被动调Q[20-24]获得高能量中红外光纤激光脉冲输出。锁模可以获得短脉冲和高峰值功率脉冲输出，目前中红外锁模脉冲激光主要是基于半导体可饱和吸收镜获得锁模脉冲输出[20,25]。虽然调Q或锁模具有高脉冲能量或高峰值功率等优点，但是，调Q和锁模技术用于中红外ZBLAN光纤激光时，可能存在两个问题[26]：一是由于中红外光纤脉冲激光器输出为非全光纤结构，需要在腔内插入调Q或锁模元件，增加了激光器复杂度，不利于后续放大；二是插入元件引入的损耗降低了激光器工作效率。而直接采用脉冲泵浦的增益开关方式，具有频率可调，脉宽可控，简单方便，同时便于MOPA(master oscillator power amplifier)放大，已经广泛应用于掺Tm光纤激光器中[27-29]。2001年，Dickinson等报道了利用钛宝石脉冲激光器泵浦Er:ZBLAN光纤获得了脉冲能量1.9 mJ的增益开关脉冲激光输出[26]，但是激光脉冲较宽(18 μs)，输出脉冲为多峰，且波长不可调；2011年，Gorjan等报道了重复频率达100 kHz的高重复频率的增益开关中红外脉冲激光输出，平均功率超过2 W，然而激光器工作波长单一[30]；2014年，本项目组报道了增益开关获得中红外脉冲激光输出，但是激光脉冲和输出光谱均较宽，脉冲峰值功率相对较低[31]，而采用光栅可以有效地压缩光谱线宽和脉宽[32]，并且波长可调。

本文报道了波长可调谐增益开关中红外2.8 μm脉冲光纤激光器。采用调制的975 nm半导体激光器(LD)作为泵浦源，通过在激光器腔内插入光栅作为调谐元件，获得激光器工作频率为1～10 kHz，波长调谐范围为2.703～2.819 μm的增益开关中红外脉冲激光输出。在泵浦源重频10 kHz条件下，激光器最大输出功率为110 mW，脉宽为661.2 ns，峰值功率为16.5 W，斜率效率达28.6%。

1 实验装置

中红外可调谐增益开关脉冲光纤激光器结构示意图，如图1所示。泵浦源采用中心波长为975 nm、尾纤耦合输出的半导体激光器，其尾纤的芯径和数值孔径分别是105 μm和0.22 μm，LD经信号源调制后成脉冲输出，重复频率为1～10 kHz，占空比为20%。激光器工作介质为一根长度约为3.2 m，形状为八边形的ZBLAN双包层光纤，掺杂后ErF3的摩尔分数为6 %，芯径直径和数值孔径分别是33 μm和0.12 μm，内包层直径为330 μm。光纤两端装载在刻有U型槽的紫铜热沉中。975 nm脉冲泵浦光经由准直器(f=11 mm)和非球面透镜(f=22 mm)组成的泵浦耦合系统进入ZBLAN光纤内包层，系统的泵浦耦合效率约为80%。在谐振腔设计方面，光纤一端进行0°角切割后将其作为激光器输出端，输出耦合率约为96%，菲涅耳反射率约为4%，并作为泵浦光的输入端。光纤另一端进行约10°角切割处理，以抑制寄生振荡。2.8 μm信号光经焦距为15 mm的CaF2透镜准直后入射到可调谐激光器核心部件——闪耀光栅上。采用立特罗工作模式的闪耀光栅，一方面为激光器提供反馈，另一方面起波长选择作用，其主要参数：刻线密度为625 mm-1，闪耀波长为2.8 μm，闪耀角为61.2°，2.8 μm处衍射效率约为90%。在泵浦耦合系统和光纤泵浦端之间，45°角放置了双色镜(975 nm高透，透过率T>95%，2.8 μm高反，反射率R>99%)，将2.8 μm激光耦合输出，然后通过焦距为50 mm的CaF2透镜准直后进入测量系统。测量系统用功率计(Gentec, XLP12-3S-H2-D0)测量激光输出功率，中红外光谱仪(Andor Shamrock 750)测量激光光谱，硅探测器(DET10A)和碲镉汞探测器(Vigo PVM-2TE-10.6-2)分别测量泵浦光和中红外激光脉冲信号。

图1 中红外可调谐增益开关Er:ZBLAN脉冲光纤激光器结构示意图Fig.1Layout of experimental setup for tunable gain-switched Er:ZBLAN fiber laser

2 实验结果与讨论

首先，在LD连续输出一定功率(高于激光器工作阈值)条件下，仔细调节光栅，使得激光器输出功率达到最大，即确定光栅最佳位置和激光器最佳工作状态。然后，将调制信号加载到泵浦源LD上，泵浦源重复频率与信号源频率一致。通过调节LD工作电流和调制信号频率，控制单个泵浦脉冲能量。当单个脉冲能量调节到合适值，即可获得2.8 μm增益开关激光脉冲输出。在LD重复频率为10 kHz，注入的单个泵浦脉冲能量为54.8 μJ时，测量到的泵浦脉冲和激光脉冲波形，如图2所示。从图中可以看出，在一个泵浦周期内，只产生了一个激光脉冲。当单个泵浦脉冲能量小于70 μJ时，单个周期内激光脉冲只有一个，如果继续增加泵浦能量，激光脉冲会出现多峰，即发生脉冲分裂，后续研究了在没有发生脉冲分裂下的激光脉冲特性。

图2 脉冲能量为54.8 μJ、重频为10 kHz下泵浦脉冲与激光脉冲波形Fig.2Pump and laser pulse waveforms with pumped energy of 54.8 μJ and repetition of 10 kHz

一般，激光脉冲频率与LD重复频率相同，也就是1～10 kHz。图3给出了激光器在最低工作频率1 kHz和最高工作频率10 kHz条件下的脉冲序列。可以看出，激光工作频率与泵浦源重复频率一致，激光脉冲幅值波动小于5%。

(a)2.8 μm pulse train at 1 kHz

(b)2.8 μm pulse train at 10 kHz 图3不同工作频率下中红外增益开关激光脉冲序列Fig.3Measured typical pulse trains of the minimum and maximum repetition rates in the experiment

然而，值得指出的是，当泵浦脉冲能量低于一定值，如49.7 μJ 时激光脉冲工作频率并不总是与泵浦源重复频率相同。图4给出了泵浦源重频10 kHz时的激光脉冲序列。可以看出，激光脉冲工作频率为泵浦源重频的一半。也就是说，在相同谐振腔结构参数下，单个泵浦脉冲不足以使激光上能级4I11/2与下能级4I13/2粒子数反转，需要两个泵浦脉冲能量促成粒子数反转，以形成激光振荡。

图4 激光器工作频率为5 kHz时的脉冲序列(单脉冲泵浦能量约为49.7 μJ)Fig.4Measured pulse train with a laser pulse frequency of 5 kHz in the experiment under a pump energy of ～49.7 μJ

图5给出了测量的激光脉冲脉宽与峰值功率随注入的泵浦光脉冲能量变化关系。与文献[29]结果类似，激光脉宽与泵浦脉冲能量呈反比。激光脉冲最小脉宽为661.2 ns, 比文献[30]中的结果稍大些，这是由于本文中激光器腔长较大，可以通过缩短腔长获得更短脉冲输出[28]。尽管在泵浦脉冲能量50 μJ处，激光工作频率为泵浦重频的一半导致脉冲峰值功率有个跃变，但是总的来说，激光脉冲峰值功率大致与泵浦脉冲能量呈线性增加关系。通过对测量到的最小脉宽和最大脉冲能量进行计算，得到增益开关激光脉冲最大峰值功率约为16.5 W。与我们之前采用镀金全反镜(结构A)作为谐振腔反馈元件时的最大激光脉冲峰值功率仅为3.5 W相比较，采用光栅(结构B)作为反馈元件后，激光脉冲的脉宽更窄，峰值功率更高。激光脉冲参数明显的提高可以通过脉冲泵浦的高掺铒ZBLAN光纤激光光谱动力学理论解释[32]，其主要依据是激光光谱演变是依赖时间的。也就是说，激光脉冲不同时间部位携带着不同波长信息。结构A中，在激光激射建立的时刻，激光下能级4I13/2多重态是空的，因此，初始时刻激光光子能量大，波长短。随着多重态中能级较低的态被逐渐占据，谐振腔内荧光短波部分由于重吸收损耗，因此激光长波部分占据优势，形成振荡。这样，光谱宽度和脉冲宽度将被同时展宽。

图5 脉冲宽度、峰值能量随注入的泵浦光功率变化曲线(泵浦源重复频率为10 kHz)Fig.5Measured pulse width and calculated peak power at gain-switching mode vs. launched pump energy at the repetition rate of 10 kHz

实验观察了激光器不同重复频率下的输出特性。在相同泵浦功率，不同重复频率下，激光脉冲脉宽随着频率的增加而减小。这可以通过激光脉冲的脉宽估算式[33]得以解释：

式中，TR为光子在谐振腔内往返时间；r为泵浦超阈度。该表达式给出的趋势是，r越大，脉宽τp也越大。在相同泵浦功率下，泵浦源重复频率越低，单个泵浦脉冲能量越大，对应的r值越大，因此脉宽就大；随着重复频率增加，单个泵浦脉冲能量变小，脉宽也随之变小。

选定泵浦源重复频率为10 kHz，测量到的激光输出平均功率随注入的泵浦光功率变化关系，如图6所示。

图6 脉冲激光输出平均功率随注入的泵浦光功率变化曲线Fig.6Average output power vs. launched pump power

在没有脉冲分裂条件下，激光器最大平均功率为110 mW。通过曲线拟合，得到激光器斜率效率为28.6%，该效率与激光器的斯托克斯效率(约35%)非常接近，但是与理论效率相差较远，这是因为，在高掺铒ZBLAN光纤中，由于能量循环利用机制，也就是处于能级4I13/2的粒子之间能量转移，使得激光振荡的理论效率可以高达约50%[34]。

图7给出激光器增益开关输出光谱，中心波长稳定在2.777 3 μm，谱宽约为1.5 nm，相比较激光器自由运转，采用光栅作为谐振腔反馈元件，激光输出光谱谱宽得到明显压缩[14]。

图7 中红外增益开关激光光谱Fig.7Spectrum of the laser output in gain-switched operation

固定泵浦源重复频率为10 kHz，在最大注入泵浦功率为0.7 W的条件下，通过调节光栅，得到不同激光波长处的激光输出功率分布，如图8所示。从图中可以看出，激光器在波长范围2.703～2.819 μm内的平均输出功率均大于40 mW，最大输出功率对应波长在2.777 3 μm 处，并且激光平均功率在该波长两侧呈下降趋势，这是因为光栅在该波长处的衍射效率最高，偏离该波长，衍射效率降低，增加了腔内损耗，降低了激光输出功率[8]。

图8 激光器的功率随波长分布Fig.8Average output power vs. wavelength

3 结论

报道了波长可调谐增益开关中红外2.8 μm脉冲光纤激光器。采用脉冲975 nm半导体激光器泵浦高掺铒ZBLAN双包层光纤，闪耀光栅作为谐振腔反馈元件，实现了波长可调谐增益开关脉冲激光输出。激光器工作频率为1～10 kHz，波长调谐范围为2.703～2.819 μm。在重频10 kHz条件下，激光器最大输出功率为110 mW，脉宽为661.2 ns，峰值功率为16.5 W，斜率效率达28.6%，该激光器有望用作MOPA放大系统的种子源。

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A Tunable Gain-Switched Er:ZBLAN Mid-Infrared Fiber Laser

SHEN Yan-long,HUANG Ke,TAO Meng-meng,CHEN Hong-wei, LUAN Kun-peng,YU Li,YI Ai-ping

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China; State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

A wavelength-tunable and gain switched mid-infrared 2.8 μm fiber laser is introduced. The pulsed output is obtained from Er3+-doped ZBLAN double-clad fiber pumped by a laser-diode(LD) with central wavelength of 975 nm. The wavelength and the repetition rate of the laser can be tuned in the range of 2.703-2.819 μm and 1-10 kHz, respectively. The maximum averaged output power of 110 mW, and the minimum pulse width of 661.2 ns are measured at the calculated peak power of 16.5 W, corresponding to a slope efficiency of 28.6% at a repetition of 10 kHz.

mid-infrared;gain-switched;tunable;fiber laser;Er:ZBLAN

2016-10-10；

2016-11-19

激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(SKLLIM1502Z)

沈炎龙(1983- )，男，湖南岳阳人，助理研究员，硕士，主要从事激光器件技术研究。

E-mail:shenyanlong@nint.ac.cn

TN212；TN248.1

A

2095-6223(2016)040302(6)